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组播技术基础v1 1 网络技术培训系列 一 组播基本概念组播基础协议组播应用 组播 multicast 概念为什么要组播 降低服务器负载 节省网络带宽 降低对网络设备的要求 用户规模可以灵活变化 用户规模的增大不会对网络造成带宽压力 网络中点到多点的通信形式 通过报文复制完成网络中点到多点的高效数据传送 减少不必要的报文传输 把报文复制尽可能的放在离接收者最近的网络节点来完成 10 组播概念Multicast 组播 multicast 概念组播 multicast vs广播 broadcast 广播不能跨网段 网段内所有设备都会处理广播 部分设备处理组播 讨论 你觉得哪些应用可以使用组播 组播基础知识 组播地址 报文的目的地址是D类地址 即组播地址 不代表网络上具体的主机 而仅仅代表由相应接收者组成的集合 组播组 组播源不一定是组播组成员 组播IP地址 IANA将地址段224 0 0 0 224 0 0 255设为保留地址 分配给本地网络协议使用 路由器对收到的目的地址在此范围内的报文 不管报文的TTL值 都不能进行路由转发 其他保留地址参见 INTERNETMULTICASTADDRESSES 组播IP地址 组播MAC地址IEEE规定MAC地址的第0字节的第0位用来区分一个目的MAC地址是广播 组播MAC地址还是单播MAC地址 Broadcast MulticastBit 组播IP地址和组播MAC地址的映射关系在以太网中 目的地址为组播地址的IP组播报文所使用的目的MAC地址都是以前缀0 x0100 5exx xxxx开头的组播MAC地址 向下映射 组播MAC地址 就23位 思科专家 称号是思科公司对出色的工程设计能力的人所给予的最高荣誉 他们不仅仅是思科最杰出的工程师 同时也是整个网络行业最杰出的工程师 SteveDeering Deering是联网和互联网协议领域一位全球知名的权威专家 他发明了IP组播技术 与他人共同创建了互联网组播骨干网 并且是IPv6的主要设计者 他是IETF很多工作组的主席或联合主席 也是端到端研究团的积极成员 同时他还是互联网架构委员会的成员 为什么会出现IP组播地址和组播MAC地址不是一一对应的情况呢 这问题说来可是longlongago了 话说20世纪90年代初期 IP组播之父SteveDeering希望分配16个连续的OUI作为IP组播MAC地址使用 因为一个OUI包含24位MAC地址空间 16个连续的OUI将提供28位MAC地址空间 就可以满足IP组播地址和组播MAC地址的要求 当时一个OUI的价格是1 000美元 当时的IETF主席JonPostel 此人乃Internet先驱 著名的TCP IP SMTP DNS均出自他笔下 不愿意花一万六千美金买28位MAC地址 而是花一千美金买一个OUI 并拿出一半地址 23位 给SteveDeering进行IP组播研究 因此就出现32 1的问题 即每个组播MAC地址能表示32位IP组播地址 ABriefHistoryofIPMulticastAtStanfordUniversityintheearly1980s adoctoralgraduatestudent SteveDeering wasworkingonadistributedoperatingsystemprojectforhisadvisor DavidCheriton ThisdistributedoperatingsystemwascalledVsystemandwascomposedofseveralcomputerstiedtogetherintoalooselycoupledmultiprocessingsystemviaasingleEthernetsegment ThecomputersonthisEthernetsegmentworkedtogetherandcommunicatedattheoperatingsystemlevelviaspecialmessagessentonthecommonEthernetsegment OneoftheoperatingsystemprimitivespermittedonecomputertosendamessagetoagroupoftheothercomputersonthelocalEthernetsegmentusingaMAClayermulticast Astheprojectprogressed theneedarosetoaddmorecomputerstothemultiprocessingsystem Unfortunately theonlyavailablecomputerswereontheothersideofthecampuswithproductionroutersbetweenthetwonetworks Consequently thegraduatestudentshadtoextendtheoperatingsystem sinter processorcommunicationstoworkatLayer3oftheOSIreferencemodelsothatthecomputersontheothersideofthecampuscouldfunctionaspartofthelooselycoupledmultiprocessorsystem Inaddition theMAClayermulticastmessagingwouldalsohavetobeextendedtoworkatLayer3 ThetaskoffindingawaytoextendtheMAClayermulticastcapabilityacrosstheLayer3routednetworkprimarilyfelltoSteveDeering AfterstudyingtheOpenShortestPathFirst OSPF ProtocolandtheRoutingInformationProtocol RIP IProutingprotocols Steveconcludedthatthelink statemechanismsofOSPFcouldcertainlybeextendedtosupportmulticasting HealsoconcludedthatthebasicmechanismsofRIPcouldbeusedasthebasisforanewdistancevector basedmulticastroutingprotocol ThisidealedtomoreresearchintotheareaofIPmulticastingandultimatelyresultedinSteveDeering sdoctoralthesis MulticastRoutinginaDatagramNetwork publishedinDecember1991 Dr Deering sthesisalsodescribedaHostMembershipProtocol whichbecamethebasisfortoday sInternetGroupMembershipProtocol IGMP thatIPmulticasthostsusetosignaltotherouteronthenetworkthattheydesiretojoinamulticastgroup Inaddition Dr Deering sthesisdescribedadistancevector basedIPmulticastroutingprotocolthatwasthebasisfortheDistanceVectorMulticastRoutingProtocol DVMRP alsodevelopedbyDr Deeringafewyearslater ThesetwoprotocolsprovidedthefirstsuccessfulextensionstotheIPpacketnetworkmodeltoallowmulticastingtobeextendedtoLayer3oftheOSImodel Sincethattime advancesinIPmulticastingtechnologyhavecontinuedandadditionalprotocolssuchasProtocolIndependentMulticasting PIM andmultiprotocolextensionstotheBorderGatewayProtocol BGP havebeendeveloped TheseprotocolspermitIPmulticastingtoscalebeyondtheinitiallimitedimplementationstolarge enterprise widemulticastnetworksandeventuallyontoanative completelymulticast enabledInternet 组播基础知识 组播通信模型 单播通信模型点到点以目的为中心 靠目的IP地址来决定转发 单播转发项形式为 目的网段 出接口 下一跳 11 110 0 0 16 Ethernet0 131 108 1 3 随着通信参与者的增加 网络带宽消耗随之增加 1 2 3 1 2 3 组播通信模型点到多点 1 2 3 1 2 3 组播通信模型组播四要素 源发现接收者发现拓扑发现 组播路由器之间的拓扑 网络单播路由信息 分发树生成 PIM SM DM SSMDVMRPMSDP IGMP DVMRP单播 OSPFRIPBGPStatic Route PIM SM DM SSMDVMRP 组播通信模型以源和目的为转发依据 S G 树状的转发 网络负载不随用户规模增加而增加 树从根部开始一直到叶子都是一样粗 组播通信模型转发树的构建 RPF ReversePathForwarding 组播转发项形式为 组播源地址 组播组地址 入接口 出接口列表 172 10 1 2 239 1 1 1 eth0 eth1 eth2 接收者R1 接收者R2 组播源S 组播基本概念组播基础协议组播应用 组播基础协议用户发现协议IGMP V1 V2 V3 用于了解接口所连接的网络是否有主机加入某组播组组播路由协议组播源发现协议组播拓扑分离协议二层组播协议组播协议典型组网 组播网络 查询 报告239 0 1 1 IGMP IGMP组成员加入 维护 查询器 X 227 1 1 1 路由器发送查询 IP地址最小路由器选举成为查询器 10 0 0 1 10 0 0 2 10 0 0 3 10 0 0 4 10 0 0 5 主机10 0 0 3加入组227 1 1 1 路由器周期性维护组成员关系 主机10 0 0 5加入组227 1 1 1 227 1 1 1 路由器周期性维护组成员关系 主机10 0 0 4加入组227 1 1 2 227 1 1 2 路由器周期性维护组成员关系 X IGMP组成员离开 查询器 227 1 1 1 主机10 0 0 3离开组227 1 1 1 主机10 0 0 4离开组227 1 1 2 10 0 0 1 10 0 0 2 10 0 0 3 10 0 0 4 10 0 0 5 主机10 0 0 5失效 227 1 1 1 227 1 1 2 IGMPv1v2v3的差别IGMPv1没有主动离开消息IGMPv1v2指定加入的组IGMPv3指定加入的源组 配合PIM SSM使用 组播基础协议用户发现协议组播路由协议掌握网络拓扑 发现组播源 生成转发树PIM SM DM SSMDVMRP 组播源发现协议组播拓扑分离协议二层组播协议组播协议典型组网 组播网络 组播路由协议 组播源 PIM协议密集模式 ProtocolIndependentMulticast DenseMode PIM DM 协议特征 协议假设用户缺省为需要接收数据周期性扩散 剪枝协议比较简单较适合接收者分布比较密集的网络与单播路由协议类型无关 PIM DM扩散 剪枝 组播源 接收者 数据向所有组播链路扩散 主机报告路由器加入组G 没有接收者的链路进行剪枝 所有剪枝完成 PIM DM周期性扩散 剪枝 组播源 接收者 数据一直向接收者转发 主机周期性报告路由器加入组G 没有数据的路由器出现超时 数据周期性扩散 没有接收者的链路进行剪枝 所有剪枝完成 PIM DM嫁接 组播源 接收者 直连路由器向上游嫁接 新增主机报告路由器加入组G 上游路由器开始转发数据 接收者 PIM DM剪枝 组播源 接收者 直连路由器停止转发数据 主机报告路由器离开组G 上游路由器停止转发数据 接收者 直连路由器向上游剪枝 又一个主机离开 PIM DM一个组多个源 组播源 接收者 新增一个组播源 接收者 组播源 PIM协议稀疏模式 ProtocolIndependentMulticast SparseMode PIM SM 协议特征 协议假设用户缺省为不需要接收数据在网络中选举核心节点RP RendezvousPoint 通过RP连接组播源和接收者接收者主动加入协议较DM复杂较适合接收者分布比较稀疏的网络与单播路由协议类型无关 PIM SMBSR RP选举 配置候选BSR 候选RP C RP C RP C RP C BSR C BSR C BSR认为自己是BSR BSR BSR BSR开始扩散BSR消息 路由器选举出BSR C RP向BSR通告 BSR周期性扩散C RP列表 注意 BSR只扩散C RP列表 RP由各路由器自己计算 注意 RP有服务范围 网络中可以有多个RP进行分担 PIM SM共享树 接收者 RP 主机报告路由器加入组G 直连路由器向RP建立 G 共享树 新增主机报告路由器加入组G 接收者 RP选举完成 PIM SM源注册 接收者 RP DR路由器将数据封装后向RP注册 RP将注册报文解封装后沿共享树转发 RP向源加入 停止注册 接收者 新增组播源 组播源 X PIM SMSPT切换 接收者 RP DR发起向SPT切换 剪枝RPT树 SPT切换完成 接收者 RPT树 组播源 注意 SPT切换不是必须的 可以配置切换阈值 超过阈值即切换 PIM SM接收者离开 接收者 RP DR发起共享树剪枝 又一个接收者离开 接收者 一个接收者离开 组播源 没有数据的路由器出现超时 为防止RP上的 S G 信息超时 DR周期性向RP注册 X PIMSSM ProtocolIndependentMulticast Source SpecificMulticast PIM SSM 协议特征 协议不进行源发现 由接收者通过IGMPv3告知源组信息协议简单非常适合一个组只有一个源的应用模型 其他应用存在局限性与单播路由协议类型无关 PIM SSM 接收者 直连路由器向源加入 主机通知路由器加入源组S G 向接收者转发数据 DVMRP Distance VectorMulticastRoutingProtocol DVMRP 协议特征 最早的组播路由协议协议包含一个类似RIP2的单播路由协议协议假设用户缺省为需要接收数据周期性扩散 剪枝较适合用户分布比较密集的网络 组播基础协议用户发现协议组播路由协议组播源发现协议域内由组播路由协议完成源发现 跨域运行组播时 由MSDP协议完成组播源信息的收集发布 提供给组播路由协议PIM SM组播拓扑分离协议二层组播协议组播协议典型组网 MSDP 组播源A 组播源B 组播网络APIM SM 组播网络BPIM SM 组播源信息 组播基础协议用户发现协议组播路由协议组播源发现协议组播拓扑分离协议组播受单播网络拓扑限制 通过提供一套专门供组播进行RPF检查的单播路由 可以实现组播网络与单播网络拓扑的分离 组播静态路由MBGP组播扩展 二层组播协议组播协议典型组网 组播静态路由 组播网络B 组播网络A 组播网络C 组播网络D 组播源A MBGP MBGP 接收者 组播基础协议用户发现协议组播路由协议组播源发现协议组播拓扑分离协议二层组播协议IGMPSnooping用于发现二层VLAN中的组播接收者 控制组播数据在二层VLAN的按需转发 组播协议典型组网 01 00 5e xx xx xx port1 port2 port4 组播数据流 IGMPReport IGMPQuery IGMPReport IGMPSnooping窃听路由器端口接口所有组的数据主机端口接收特定组的数据 01 00 5e xx xx xx PIMHello port1 port2 port4 IGMPQuery IGMPQuery 窃听路由器发送的PIMHello报文识别路由器端口 窃听主机发送的IGMPREPORT报文识别主机端口 IGMPReport 组播基础协议用户发现协议组播路由协议组播源发现协议组播拓扑分离协议二层组播协议组播协议典型组网域内组播方案域间组播方案组播隧道方案 组播协议典型组网 一 域内组播 Internet PIM PIM IGMP L3 L3 L2 L2 L2 L2 L2 路由器 IGMP IGMPSnooping 组播协议典型组网 二 域间组播 IDC 组播源 组成员 组成员 骨干网PIM SM